CN106992508A - 非隔离can总线过压保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种非隔离CAN总线过压保护电路，包括CAN总线收发器及与其连接的高、低位总线信号线，还包括连接在所述CAN总线收发器和高、低位总线信号线之间的匹配及滤波电路，用于各节点间的阻抗匹配及过滤共模的电磁干扰；以及，过压保护电路，至少用于将总线共模电压采样后与参考电压进行比对，并根据比对结果切断或自恢复CAN总线收发器和高、低位总线信号线之间的总线信号传输。本发明无需采用CAN总线电气隔离（光电隔离或者磁隔离）方案，实现了对CAN总线收发器及后续电路的非隔离过压保护，省去了隔离元件的成本，实现了低成本的CAN总线过压保护方案，同时节省了隔离元件所需的安装空间等，降低了PCB和产品布局的难度，有利于减小产品的体积。

Description

非隔离CAN总线过压保护电路

技术领域

本发明涉及一种CAN总线过压保护电路，尤其是一种非隔离CAN总线过压保护电路。

背景技术

CAN 是Controller Area Network 的缩写（以下称为CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。在汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。

为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，面向汽车的CAN 通信协议被开发出，此后，CAN 通过ISO11898 及ISO11519 进行了标准化，在欧洲已是汽车网络的标准协议。

CAN总线以其高性能和高可靠性，被广泛应用于汽车和工业控制局域网，它实现了分布式控制系统各节点之间实时、可靠的数据通信。

对于提高CAN总线节点的可靠性而言，最常见的方法就是采用隔离收发器将总线和控制电路进行电气隔离，将高压干扰阻隔在控制系统之外，有效地保证控制系统及人身安全。不仅如此，电气隔离还可以有效防止形成地环路，抑制由接地电势差、接地环路引起的各种共模干扰，且共模电压全部由隔离带承受，保证总线在严重干扰和其它系统级噪声存在的情况下不间断、无差错运行。

但是电气隔离在提高CAN总线可靠性的同时，还带来了通讯回路成本的大幅增加，无论是传统的光电隔离还是比较先进的磁隔离，都是如此，所以对于一些低成本但又需要高可靠性的应用来说，隔离方案并不适用。

此外，为了满足隔离电压的绝缘要求，在PCB和产品布局中需要保证一定的爬电距离和空气间隙，这又意味着产品体积的增加。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，在低成本非隔离CAN总线结构的基础上增加了一些过压保护电路，对于CAN总线信号上最常见的高压干扰和系统噪声进行了去全面的抑制和保护，避免控制系统和总线收发器因遭受过压干扰或冲击而导致通讯中断甚至硬件损坏，大大提高了CAN总线通讯的可靠性。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

非隔离CAN总线过压保护电路，包括CAN总线收发器及与其连接的高、低位总线信号线，还包括连接在所述CAN总线收发器和高、低位总线信号线之间的

匹配及滤波电路，用于各节点间的阻抗匹配及过滤共模的电磁干扰；

以及，过压保护电路，至少用于将总线共模电压采样后与参考电压进行比对，并根据比对结果切断或自恢复CAN总线收发器和高、低位总线信号线之间的总线信号传输。

优选的，所述的非隔离CAN总线过压保护电路，其中：所述匹配及滤波电路包括共模电感、第一匹配电阻和第二匹配电阻，所述共模电感的2脚接高位总线信号线，其1脚接所述过压保护电路及第一匹配电阻的一端，所述第一匹配电阻的另一端通过电容接地；所述共模电感的3脚接低位总线信号线，其4脚接所述过压保护电路及第二匹配电阻的一端，所述第二匹配电阻的另一端通过所述电容接地。

优选的，所述的非隔离CAN总线过压保护电路，其中：所述过压保护电路包括二级保护电路，所述二级保护电路包括

过压检测电路，用于将总线共模电压采样后与参考电压进行比对并输出高或低电平；

及过压关断电路，用于根据所述过压检测电路输出的低或高电平切断或自恢复CAN总线收发器和高、低位总线信号线之间的总线信号传输。

优选的，所述的非隔离CAN总线过压保护电路，其中：所述过压检测电路包括第一二极管、第二二极管、第一采样电阻、第二采样电阻、比较器及参考电压，所述第一二极管和第二二极管的阳极分别接所述共模电感的1脚及4脚，它们的阴极分别通过串联的第一采样电阻及第二采样电阻接地，所述第一采样电阻和第二采样电阻的连接端接所述比机器的反向输入端，所述比较器的正向输入端接所述参考电压，所述比较器的输出端通过电阻接5V电源端以及输出高或低电平信号给所述过压关断电路。

优选的，所述的非隔离CAN总线过压保护电路，其中：所述比机器的输出端还连接处理器，并向其发送过压报警信号。

优选的，所述的非隔离CAN总线过压保护电路，其中：所述过压关断电路包括第一MOS管、第二MOS管、第一栅极电阻、第二栅极电阻、第一稳压二极管及第二稳压管，所述第一MOS管和第二MOS管的漏极分别接所述共模电感的1脚和4脚，它们的源极分别接所述CAN总线收发器的CANH引脚和CANL引脚，它们的栅极分别接第一栅极电阻及第二栅极电阻的一端，所述第一栅极电阻和第二栅极电阻的另一端均连接所述比较器的输出端，且所述第一MOS管的源极和栅极之间连接所述第一稳压二极管,所述第二MOS管的源极和栅极之间分别连接所述第二稳压二极管。

优选的，所述的非隔离CAN总线过压保护电路，其中：所述第一MOS管和第二MOS管是小功率N沟通MOS管。

优选的，所述的非隔离CAN总线过压保护电路，其中：所述过压保护电路还包括一级吸收电路，所述一级吸收电路包括两条将总线共模电压钳位于设定电压的TVS管钳位电路，每个所述TVS管钳位电路包括TVS管、RC并联电路，一个所述TVS管的一端接所述共模电感的1脚，另一个TVS管的一端接共模电感的4脚，它们的另一端串接RC并联电路后接入参考地。

优选的，所述的非隔离CAN总线过压保护电路，其中：所述TVS管的钳位电压小于所述参考电压小于所述CAN总线收发器的最大耐受总线电平。

优选的，所述的非隔离CAN总线过压保护电路，其中：所述非隔离CAN总线过压保护电路至少应用于低压电动汽车电机控制器的CAN总线通讯模块。

本发明技术方案的优点主要体现在：

本发明设计精巧，电路简单，通过匹配及滤波电路进行各节点间的阻抗匹配及过滤共模的电磁干扰，结合二级过压保护电路，在总线出现长时间过压或大能量冲击时，将CAN总线收发器从总线上断开，避免其损坏，送二对后续控制电路进行保护，无需采用CAN总线电气隔离（光电隔离或者磁隔离）方案，实现了对CAN总线收发器及后续电路的非隔离过压保护，省去了隔离元件的成本，实现了低成本的CAN总线过压保护方案，同时节省了隔离元件所需的安装空间等，降低了PCB和产品布局的难度，有利于减小产品的体积。

本发明进一步结合一级吸收电路，对于瞬间小能量冲击有很快的响应速度和一定的吸收能力，两级过压保护措施，分别针对瞬间小能量冲击和长时间大能量过压提供了具有针对性的吸收和保护电路，保护更为全面和有效，可靠性更佳，并且都具有自恢复功能，具有一定的自适应性。

通过对第一MOS管和第二MOS管的优选，减小有利于总线信号的衰减。

附图说明

图1 是本发明的结构示意图；

图2是本发明的电路图。

具体实施方式

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

本发明揭示了非隔离CAN总线过压保护电路，至少应用于低压电动汽车电机控制器的CAN总线通讯模块，如附图1、附图2所示，所述非隔离CAN总线过压保护电路包括CAN总线收发器U2及与其连接的高位总线信号线CAN_H、低位总线信号线CAN_L，所述CAN总线收发器U2的VCC引脚接5V电源端+5V，其VREF引脚为空，其RXD引脚和TXD引脚接控制端的CAN_RXD端和CAN_TXD端，其GND引脚和S引脚接地，其CAN引脚和CANL引脚和高、低位总线信号线CAN_H、CAN_L之间还连接有匹配及滤波电路1，用于各节点间的阻抗匹配及过滤共模的电磁干扰；

以及，过压保护电路2，至少用于将总线共模电压采样后与参考电压进行比对，并根据比对结果切断或自恢复CAN总线收发器U2和高、低位总线信号线CAN_H、CAN_L之间的总线信号传输。其中，所述总线共模电压是指高位总线信号线CAN_H端相对于参考地的电压以及低位总线信号线 CAN_L端相对于参考地的电压，而总线差模电压是指高位总线信号线CAN_H端相对于低位总线信号线 CAN_L端的压差。

具体来说，如附图2所示，所述匹配及滤波电路1包括最靠近总线出口的共模电感L1、第一匹配电阻R3和第二匹配电阻R4，所述共模电感L1用于过滤共模的电磁干扰信号，并且抑制高速信号产生的电磁辐射向外发射，所述第一匹配电阻R3和第二匹配电阻R4用于各节点间的阻抗匹配，所述共模电感L1的2脚接高位总线信号线CAN_H，其1脚接所述过压保护电路2及第一匹配电阻R3的一端，所述第一匹配电阻R3的另一端通过电容C3接地；所述共模电感L1的3脚接低位总线信号线CAN_L，其4脚接所述过压保护电路2及第二匹配电阻R4的一端，所述第二匹配电阻的另一端通过所述电容C3接地。

如附图1、附图2所示，所述过压保护电路2包括一级吸收电路22，所述一级吸收电路22用于将总线共模电压钳位在设定电压，其包括两条将总线共模电压钳位于设定电压的TVS管钳位电路，每个所述TVS管钳位电路包括一TVS管及RC并联电路，所述TVS管D1的一端接所述共模电感L1的1脚，所述TVS管D1的另一端串接由电阻R1和电容C1构成的RC并联电路后接入参考地，所述TVS管D2的一端接共模电感L1的4脚，所述TVS管D2的另一端串接由电阻R2和电容C2构成的RC并联电路后接入参考地。

其中所述TVS管D1、D2的钳位电压应比总线收发器的耐受电压略低一点，例如，若总线收发器所能承受的最高总线电压为15V，则应选择钳位电压为12V左右的TVS管，从而有效保护总线收发器。

之所以设置所述一级吸收电路，是因为CAN总线电平状态分为显性和隐性，其中显性电平时CAN_H =3.5V，CAN_L=1.5V；隐性电平时CAN_H=CAN_L=2.5V，所以常见的CAN总线信号共模电压应不超过5V，虽然主流的CAN总线收发器所能耐受的总线电平都要比高很多，最低的也能承受12V，最高甚至到40V，其中所述CAN总线收发器的最大耐受总线电平是指CAN总线收发器所能承受的最大总线共模电压，即CAN总线收发器的CANH引脚和CANL引脚所能承受的最大电压。

但是，由于存在瞬态高压尖峰脉冲冲击，因此需要充分利用TVS管具有极快响应速度（亚纳秒级）这个特点，当总线共模电压高于TVS管的钳位电压时，它能以极快的速度将超过钳位电压的部分吸收掉，并把电压就钳制在钳位电压上，从而起到保护CAN总线收发器的和后端控制电路的作用。

虽然所述一级吸收电路对总线上出现的瞬间小能量冲击和干扰有很好的抑制作用，但是对于总线上出现的长时间过压或者大能量冲击却没有太大的效果，此时就需要另外的电路来进行保护，对应的所述过压保护电路2还包括二级保护电路21。

详细来说，如附图1、附图2所示，所述二级保护电路包括21

过压检测电路211，用于将总线共模电压采样后与参考电压进行比对并输出高或低电平；

及过压关断电路212，用于根据所述过压检测电路211输出的低或高电平切断或自恢复CAN总线收发器U2和高、低位总线信号线CAN_H、低CAN_L之间的总线信号传输。

所述过压检测电路211包括第一二极管D3、第二二极管D4、第一采样电阻R5、第二采样电阻R6、比较器U1及参考电压，所述第一二极管D3和第二二极管D4的阳极分别接所述共模电感L1的1脚及4脚，它们的阴极分别通过串联的第一采样电阻R5及第二采样电阻R6接地，所述第一采样电阻和第二采样电阻的连接端接所述比机器U1的反向输入端，所述比较器U1的正向输入端接所述参考电压，所述参考电压可以根据实际需要进行设置，例如2V，3.3V，5V等，所述比较器U1的输出端通过电阻R9接5V电源端+5V以及输出高或低电平信号给所述过压关断电路212，并且所述比机器U1的输出端还连接处理器，并向其发送过压报警信号。

其中，所述第一二极管D3和第二二极管D4将总线共模电压引入由第一采样电阻R5和第二采样电阻R6组成的采样电路，生产一电压信号输送给所述比较器U1，所述比较器U1与预先设定的参考电压进行电压比较。

通过改变采样电阻R5和R6的阻值可以调整总线过压关断的门限电压，一般这个限值要比过压吸收电路中TVS管的钳位电压稍高，但小于所述CAN总线收发器的最大耐受总线电平。

当总线共模电压在额定范围内时，即小于参考电压时，所述比较器U1输出为高电平；但如果总线电压超过设定的门限电压，即大于参考电压时，所述比较器U1就会输出低电平的总线关断信号给过压关断电路，并同时产生总线过压报警信号给处理器做相应的软件处理。

进一步，所述过压关断电路212包括第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第一栅极电阻R7、第二栅极电阻R8、第一稳压二极管D5及第二稳压管D6，所述第一MOS管Q1和第二MOS管Q2的漏极分别接所述共模电感的1脚和4脚，它们的源极分别接所述CAN总线收发器U2的CANH引脚和CANL引脚，它们的栅极分别接第一栅极电阻R7及第二栅极电阻R8的一端，所述第一栅极电阻R7和第二栅极电阻R8的另一端均连接所述比较器U1的输出端，且所述第一MOS管Q1的源极和栅极之间连接所述第一稳压二极管D5,所述第二MOS管Q2的源极和栅极之间分别连接所述第二稳压二极管D6。

所述第一MOS管Q1、第二MOS管Q2采用小功率N沟道MOS管作为总线信号传输开关，这样，在开通时，让所述第一MOS管Q1、第二MOS管Q2工作在非完全导通状态，也就是栅源极电压Vgs稍微低一点，漏极电流Id也会小一点，从而使栅源极电压Vds最多只有零点几伏的压降，保证总线信号的衰减很小，所述第一栅极电阻R7和第二栅极电阻R8用于限制第一MOS管Q1、第二MOS管Q2的栅极电流，所述第一稳压二极管D5和第二稳压二极管D6用于限制第一MOS管Q1、第二MOS管Q2的栅源极电压。

当CAN总线电平出现长时间过压时，所述过压检测电路211输出低电平，此时所述第一MOS管Q1、第二MOS管Q2就会关断，从而切断所述CAN总线收发器U2和高、低位总线信号线CAN_H、CAN_L之间的总线信号传输，该节点的CAN总线收发器从CAN总线结构中断开，避免遭受总线上过压冲击，直至所述过压检测电路211检测总线共模电压再次回到额定范围内，即小于参考电压时，所述比较器输出为高电平，所述第一MOS管Q1、第二MOS管Q2再次开通，所述CAN总线收发器U2和高、低位总线信号线CAN_H、CAN_L之间的总线信号传输恢复正常传输。

本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.非隔离CAN总线过压保护电路，包括CAN总线收发器（U2）及与其连接的高、低位总线信号线（CAN_H、CAN_L），其特征在于：还包括连接在所述CAN总线收发器（U2）和高、低位总线信号线（CAN_H、CAN_L）之间的

匹配及滤波电路（1），用于各节点间的阻抗匹配及过滤共模的电磁干扰；

以及，过压保护电路（2），至少用于将总线共模电压采样后与参考电压进行比对，并根据比对结果切断或自恢复CAN总线收发器（U2）和高、低位总线信号线（CAN_H、CAN_L）之间的总线信号传输。

2.根据权利要求1所述的非隔离CAN总线过压保护电路，其特征在于：所述匹配及滤波电路（1）包括共模电感（L1）、第一匹配电阻（R3）和第二匹配电阻（R4），所述共模电感（L1）的2脚接高位总线信号线（CAN_H），其1脚接所述过压保护电路（2）及第一匹配电阻（R3）的一端，所述第一匹配电阻（R3）的另一端通过电容（C3）接地；所述共模电感（L1）的3脚接低位总线信号线（CAN_L），其4脚接所述过压保护电路（2）及第二匹配电阻（R4）的一端，所述第二匹配电阻（R4）的另一端通过所述电容（C3）接地。

3.根据权利要求2所述的非隔离CAN总线过压保护电路，其特征在于：所述过压保护电路（2）包括二级保护电路（21），所述二级保护电路（21）包括

过压检测电路（211），用于将总线共模电压采样后与参考电压进行比对并输出高或低电平；

及过压关断电路（212），用于根据所述过压检测电路（211）输出的低或高电平切断或自恢复CAN总线收发器（U2）和高、低位总线信号线（CAN_H、CAN_L）之间的总线信号传输。

4.根据权利要求3所述的非隔离CAN总线过压保护电路，其特征在于：所述过压检测电路（211）包括第一二极管（D3）、第二二极管（D4）、第一采样电阻（R5）、第二采样电阻（R6）、比较器（U1）及参考电压，所述第一二极管（D3）和第二二极管（D4）的阳极分别接所述共模电感（L1）的1脚及4脚，它们的阴极分别通过串联的第一采样电阻（R5）及第二采样电阻（R6）接地，所述第一采样电阻（R5）和第二采样电阻（R6）的连接端接所述比机器（U1）的反向输入端，所述比较器（U1）的正向输入端接所述参考电压，所述比较器（U1）的输出端通过电阻（R9）接5V电源端（+5V）以及输出高或低电平信号给所述过压关断电路（212）。

5.根据权利要求4所述的非隔离CAN总线过压保护电路，其特征在于：所述比机器（U1）的输出端还连接处理器，并向其发送过压报警信号。

6.根据权利要求4所述的非隔离CAN总线过压保护电路，其特征在于：所述过压关断电路（212）包括第一MOS管（Q1）、第二MOS管（Q2）、第一栅极电阻（R7）、第二栅极电阻（R8）、第一稳压二极管（D5）及第二稳压管（D6），所述第一MOS管（Q1）和第二MOS管（Q2）的漏极分别接所述共模电感的1脚和4脚，它们的源极分别接所述CAN总线收发器（U2）的CANH引脚和CANL引脚，它们的栅极分别接第一栅极电阻（R7）及第二栅极电阻（R8）的一端，所述第一栅极电阻（R7）和第二栅极电阻（R8）的另一端均连接所述比较器（U1）的输出端，且所述第一MOS管（Q1）的源极和栅极之间连接所述第一稳压二极管（D5）,所述第二MOS管Q2的源极和栅极之间分别连接所述第二稳压二极管（D6）。

7.根据权利要求6所述的非隔离CAN总线过压保护电路，其特征在于：所述第一MOS管（Q1）和第二MOS管（Q2）是小功率N沟通MOS管。

8.根据权利要求4所述的非隔离CAN总线过压保护电路，其特征在于：所述过压保护电路（2）还包括一级吸收电路（22），所述一级吸收电路（22）包括两条将总线共模电压钳位于设定电压的TVS管钳位电路，每个所述TVS管钳位电路包括TVS管、RC并联电路，一个所述TVS管的一端接所述共模电感（L1）的1脚，另一个TVS管的一端接共模电感（L1）的4脚，它们的另一端串接RC并联电路后接入参考地。

9.根据权利要求8所述的非隔离CAN总线过压保护电路，其特征在于：所述TVS管的钳位电压小于所述参考电压小于所述CAN总线收发器的最大耐受总线电平。

10.根据权利要求1-9任一所述的非隔离CAN总线过压保护电路，其特征在于：所述非隔离CAN总线过压保护电路至少应用于低压电动汽车电机控制器的CAN总线通讯模块。